基于CPLD的无刷直流电动动机驱动器设计

无刷直流电机PI控制系统的设计及分析杨林;刘曰涛;沈宝民;仲伟正【摘要】Traditional software controllers have such problems as slow running speed, low precision, poor immunity from interference, and high cost. A PI control system of BLDCM is presented based on complex programmable logic device to solve these problems. This system is composed of all hardware and adopts trapezoidal commutation control strategy. It has advantages of high response speed and strong immunity from interference. At the same time, the effect of different PWM modulation modes on armature current and electromagnetic torque of brushless current motor is analyzed, and the H-PWN—L-PWM modulation mode is selected to achieve the desired control effect. Finally, an experimental platform is built. The driver reaches stable state after 25.6 ms at the set speed of 2500 r/min. The results show that the system has good dynamic response performance.%针对传统软件控制方式运行速度慢、精度低、抗干扰能力差、成本高等问题,设计一种以复杂可编程逻辑器件(CPLD,complex programmable logic device)为核心的无刷直流电机PI控制系统.系统采用全硬件电路设计和梯形换向控制的策略,具有高响应速度和抗干扰能力.同时,分析不同脉冲宽度调制(PWM,pulse width modulation)方式对无刷直流电机续流回路和电磁转矩的影响,选取H-PWN—L-PWM的调制方式以达到理想的控制效果.最后搭建实验平台,控制系统在设定转速为2 500 r/min的情况下,经过25.6 ms到达稳定状态,结果表明该系统具有良好的动态响应性能.【期刊名称】《西安工程大学学报》【年(卷),期】2019(033)001【总页数】7页(P81-87)【关键词】无刷直流电机;可编程逻辑器件;PI控制系统;梯形换向控制;脉冲宽度调制【作者】杨林;刘曰涛;沈宝民;仲伟正【作者单位】山东理工大学机械工程学院, 山东淄博 255049;山东理工大学机械工程学院, 山东淄博 255049;山东理工大学机械工程学院, 山东淄博 255049;山东理工大学机械工程学院, 山东淄博 255049【正文语种】中文【中图分类】TM330 引言无刷直流电机具有质量轻、体积小、扭矩大、寿命长等优点,在工业控制、医疗器械、家用电器等领域有广阔的应用前景[1]。

【基于单片机的无刷直流电机的控制系统设计】1. 引言无刷直流电机（BLDC），作为一种高效、低噪音、长寿命的电动机，被广泛应用于各种领域。

而采用单片机进行控制，实现对BLDC的精准控制，则成为现代工业中的热门技术。

本文将围绕基于单片机的无刷直流电机控制系统设计展开探讨，深入剖析其原理和实现过程。

2. 无刷直流电机的工作原理无刷直流电机是一种采用电子换相技术的电机，其工作原理与传统的直流电机有所不同。

它不需要使用碳刷和电刷环来实现换向，而是通过内置的电子控制器来精确控制转子上的永磁体和定子上的电磁线圈的相互作用，实现转子的旋转运动。

3. 单片机在无刷直流电机控制中的作用单片机在无刷直流电机的控制系统中扮演着核心角色，它通过内置的PWM模块生成PWM波形，用于控制电机驱动器中的功率器件，同时监测电机的运行状态，并根据需要进行调整和反馈控制，实现对电机的精准控制。

4. 基于单片机的无刷直流电机控制系统设计（1）硬件设计在设计基于单片机的无刷直流电机控制系统时，需要考虑到电机的功率和控制要求，选择合适的单片机和电机驱动器，设计电机驱动电路以及检测装置，确保系统能够稳定可靠地工作。

（2）软件设计利用单片机的PWM模块生成PWM波形，采用适当的控制算法（如PID控制算法），编写控制程序，实现对无刷直流电机的精准控制。

考虑到系统的实时性和稳定性，需要进行充分的软件优化和调试。

5. 个人观点和理解在基于单片机的无刷直流电机控制系统设计中，充分理解无刷直流电机的工作原理和单片机的控制特点，合理选择硬件和编写软件，是至关重要的。

只有系统全面、深刻地理解，才能设计出高质量、稳定可靠的控制系统。

6. 总结本文围绕基于单片机的无刷直流电机控制系统设计展开了探讨，从无刷直流电机的工作原理、单片机在控制系统中的作用，到具体的硬件设计和软件设计，全面、深入地阐述了相关内容。

希望通过本文的阐述，读者能够对基于单片机的无刷直流电机控制系统设计有更深入的理解和应用。

随着单片机和微型计算机[26]的高速发展，伺服系统逐渐向智能化方向的发展，并伴随外围电路专用集成电路的出现，促进了直流伺服电动机控制技术的显著进步。

当这些技术领域发展到一定程度就构成快响应、高精度的直流伺服系统，进而电力半导体驱动装置逐步取代了电液驱动，比如军用伺服系统。

正因为直流电机容易进行调速，并能在大范围内实现精密的位置控制和速度控制，所以直流伺服系统广泛应用于要求系统性能高的场合；直流伺服电机具有良好的机械性，能在大范围内实现启动、制动、平滑调速和正反转等，在传动领域中仍占有很重要的地位；从传动系统来看，随着直流电机调速系统的不断更新与发展，作为控制系统的核心部件的微机，具有控制、监视、检测、故障诊断与故障处理的多功能电气传动系统正在形成。

由于近年来电力电子技术和微电子的快速发展，使得各种伺服电机控制的智能化功率集成电路系统正朝着模块化、数字化的方向发展[21~25]。

概括的说，伺服系统的发展趋势可以体现在以下几个方面：第一：全数字化。

新的伺服系统是高度集成化的、多功能的控制单元；同一个控制单元中，只要通过软件设置参数，就能改变其性能。

它可以通过接口与外部位置传感器或速度传感器构成高精度全闭环控制系统，也可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环控制系统；高度的集成还大大地缩小了整个系统的体积，简化了伺服系统的安装与调试。

第二：智能化。

智能化是工业控制设备的趋势，伺服驱动系统也逐渐向智能化方向发展。

伺服控制单元的智能化主要有以下几个特点：首先它们都具有记忆功能，所有系统的运行参数都保存在伺服单元的内部，这些参数都可以通过通信接口在计算机上修改，使用起来很方便；其次它们都有故障诊断的功能，当系统出现故障时，可以通过计算机把故障的类型以及故障的原因清楚地显示出来，极大地减少了维修与调试的时间；其次，某些伺服系统还具有特定的参数自整定功能，该伺服单元可以通过几次运行，将系统的参数整定出来，进而实现其最优化控制。

基于CPLD的PWM控制电路设计-介绍了利用硬件描述语言VHDL设计的一种基于CPLD的PWM操纵电路，该ＰＷＭ操纵电路具有PWM开关频率可调，同侧２路信号互锁、延时时刻可调、接口简单等特点，可应用于现代直流伺服系统。

在直流伺服操纵系统中,通过专用集成芯片或中小规模的数字集成电路构成的传统PWM操纵电路往往存在电路设计复杂,体积大,抗干扰能力差以及设计困难、设计周期长等缺点因此PWM操纵电路的模块化、集成化已成为进展趋势.它不仅能够使系统体积减小、重量减轻且功耗降低,同时可使系统的可靠性大大提升.随着电子技术的进展,专门是专用集成电路(AS IC)设计技术的日趋完善,数字化的电子自动化设计(EDA)工具给电子设计带来了庞大变革,专门是硬件描述语言的显现,解决了传统电路原理图设计系统工程的诸多不便.针对以上情形,本文给出一种基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的PWM操纵电路设计和它的仿真波形.1 PWM操纵电路差不多原理为了实现直流伺服系统的H型单极模式同频PWM可逆操纵,一样需要产生四路驱动信号来实现电机的正反转切换操纵.当PWM操纵电路工作时,其中H桥一侧的两路驱动信号的占空比相同但相位相反,同时随操纵信号改变并具有互锁功能;而另一侧上臂为低电平,下臂为高电平.另外,为防止桥路同侧对管的导通,还应当配有延时电路.设计的整体模块见图1所示.其中,d[7:0]矢量用于为微机提供调剂占空比的操纵信号,cs为微机提供操纵电机正反转的操纵信号,clk为本地晶振频率,qout[3:0]矢量为四路信号输出.其内部原理图如图2所示.该设计可得到脉冲周期固定(用软件设置分频器I9可改变PWM开关频率,但一旦设置完毕,则其脉冲周期将固定)、占空比决定于操纵信号、辨论力为1/256的PWM信号.I8模块为脉宽锁存器,可实现对来自微机的操纵信号d[7:0]的锁存,d[7:0]的向量值用于决定PWM信号的占空比.clk本地晶振在经I9分频模块分频后可为PWM操纵电路中I12计数器模块和I11延时模块提供内部时钟.I12计数器在每个脉冲的上升沿到来时加1,当计数器的数值为00H或由0FFH溢出时,它将跳到00H时,cao输出高电平至I7触发器模块的置位端,I7模块输出一直保持高电平.当I8锁存器的值与I12计数器中的计数值相同时,信号将通过I13比较器模块比较并输出高电平至I7模块的复位端,以使I7模块输出低电平.当计数器再次溢出时,又重复上述过程.I7为RS触发器,通过它可得到两路相位相反的脉宽调制波,并可实现互锁.I11为延时模块,可防止桥路同侧对管的导通,I10模块为脉冲分配电路,用于输出四路满足设计要求的信号.CS为I10模块的操纵信号,用于操纵电机的正反转.2 电路设计本设计采纳的是Lattice半导体公司推出的is-plever开发平台,该开发平台定位于复杂设计的简单工具.它采纳简明的设计流程并完整地集成了Leo nardo Spectrum的VHDL综合工具和ispVMTM系统,因此,无须第三方设计工具便可完成整个设计流程.在原理设计方面,本设计采纳自顶向下、层次化、模块化的设计思想,这种设计思想的优点是符合人们先抽象后具体,先整体后局部的思维适应.其设计出的模块修改方便,不阻碍其它模块,且可重复使用,利用率高.本文仅就原理图中的I12计数器模块和I11延迟模块进行讨论.计数器模块的VHDL程序设计如下:entity counter isport(clk: in std logic;Q : out std logic vector(7 downto 0);cao: out std_logic);end counter;architecture a_counter of counter issignal Qs: std_logic_vector(7 downto 0);signal reset: std_logic;signal caolock: std_logic;beginprocess(clk,reset)beginif(reset=‘1')thenQs<=“00000000”;elsif clk'event and clk=‘1' thenQs<=Qs+‘1';end if;end process;reset<=‘1' when Qs=255 else‘0';caolock<=‘1' when Qs=0 else‘0';Q<=Qs;cao<=reset or caolock;end a_counter;在原理图中,延迟模块必不可少,其功能是对PWM波形的上升沿进行延时,而不阻碍下降沿,从而确保桥路同侧可不能发生短路.其模块的VHDL程序如下:entity delay isport(clk: in std_logic;input: in std_logic_vector(1 downto 0);output:out std_logic_vector(1 downto 0)end delay;architecture a_delay of delay issignal Q1,Q2,Q3,Q4: std_logic;beginprocess(clk)beginif clk'event and clk=‘1' thenQ3<=Q2;Q2<=Q1;Q1<=input(1);end if;end process;Q4<=not Q3;output(1)<=input(1)and Q3;output(0)<=input(0)and Q4;end a_delay;图3为原理图中的若干信号的波形仿真图.3 终止语采纳可编程逻辑器件和硬件描述语言,同时利用其供应商提供的开发工具可大大缩短数字系统的设计时刻,节约新产品的开发成本,另外,还具有设计灵活,集成度高,可靠性好,抗干能力强等特点.本文设计的PWM操纵电路用于某光测设备的传动装置时,取得了良好的成效.。

Z S T U Zhejiang Sci-Tech University 本科毕业设计Bachelor’S THESIS论文题目：基于CPLD的无刷直流电机驱动器设计浙江理工大学机械与自动控制学院毕业论文诚信声明我谨在此保证：本人所写的毕业论文，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。

论文主体均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。

如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。

声明人（签名）：年月日无刷直流电机（BLDC）利用电子换相装置代替了有刷直流电机的机械换相装置，使其既具有直流电动机的调速性能，且体积小、重量轻、效率高、无励磁损耗等特点，同时又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。

因此在国民经济的各个领域，如医疗机械、仪器仪表、化工、纺织以及家用电器和办公自动化等方面都有广泛的应用。

而在对系统提出响应速度快、精度高、控制板体积小、可靠性高等要求下，采用基于单片机等芯片的控制系统一般难以实现这一要求，而基于DSP等芯片的控制系统一般成本又太高。

但随着无刷直流电机的各种控制方法正日趋成熟，特别是大规模现场可编程门阵列FPGA、CPLD的出现，为实现这些要求提供了可能，本课题便是基于这一背景而提出的。

本文提出了一种基于CPLD的无刷直流电机控制器。

重点分析了控制器的硬件电路组成及其工作原理。

并进一步绘制了控制器的PCB板。

接着针对控制器所肩负的控制任务，提出了完整的控制器算法，并最后用Simulink仿真验证了所提出的控制算法。

关键词：BLDC；CPLD；BLDC控制器；BLDC Simulink 仿真；Brushless DC motor (BLDC) is using electronic commutation device instead of mechanical commutation device of brush DC motor. BLDC’s speed performance has the characteristics of DC motors, and it is also has small volume, light weight, high efficiency and no excitation loss advantages. BLDC also has the advantages of AC motor, such as simple structure, reliable operation, convenient maintenance, etc…Therefore, BLDC had been using in the wide range fields of national economy, such as medical equipment, instrumentation, chemical, textile, household appliances and office automation.The control requirements of high reliability, such as fast response speed, high precision, small size. Based on MCU chip control system is generally difficult to realize this requirement. And, the cost of control system based on DSP chip is generally too high. However with all kinds of Brushless DC motor control method is becoming more and more mature, especially the large-scale field programmable gate array FPGA, CPLD appeared, provides the possibility to realize these requirements. This topic is proposed on the basis of this background.This paper presents a brushless DC motor controller based on CPLD .Focus on the analysis of the hardware controller and its working principle. And I have completed the design of PCB controller. According to the control task the controller had, a controller algorithm was proposed. And finally, using Simulink simulation verified that the proposed control algorithm.Key words: BLDC;BLDC controller;BLDC Simulink simulation;目录摘要Abstract第1章绪论 (1)1.1课题的背景和意义 (1)1.2 国内外研究现状和发展趋势 (1)无刷直流电机简介 (1)无刷直流电机的控制技术 (3)1.2.3无刷直流电机控制技术的发展趋势 (6)1.3本文的研究内容 (7)第2章控制器硬件电路设计 (9)2.1电路的总体结构 (9)2.2各模块解析......................................................................................... 错误!未定义书签。

基于DSPIC33FJ32MC204无刷直流电机驱动控制系统的研究无刷直流电机（BLDC）是一种齿轮和刷子的共同驱动的直流电机。

相比传统的直流电机，BLDC电机具有更高的效率、更低的噪音和更长的寿命。

因此，BLDC电机在现代工业和家电领域得到了广泛的应用。

DSPIC33FJ32MC204是一种高性能的数字信号处理器（DSP），具有高速运算能力和丰富的外设接口，非常适合用于控制BLDC电机。

基于DSPIC33FJ32MC204的BLDC电机驱动控制系统可以提供精确的速度和位置控制，适用于各种工业和家电应用。

BLDC电机驱动控制系统的核心是通过PWM波形控制电机的转速和转向。

DSPIC33FJ32MC204可以生成高精度的PWM波形信号，并通过引脚输出给电机驱动电路。

同时，DSPIC33FJ32MC204还可以读取电机的位置反馈信号，实现闭环控制。

在研究中，首先需要对BLDC电机的原理和特性进行深入了解。

其次，需要对DSPIC33FJ32MC204的开发环境进行配置和学习，包括编写程序、调试和仿真等。

然后，可以设计BLDC电机驱动控制系统的硬件电路，包括电机驱动电路和信号采集电路。

最后，基于DSPIC33FJ32MC204开发控制程序，并进行实验验证。

在实验中，可以通过调整PWM波形的占空比和频率来控制电机的转速。

同时，可以通过读取位置反馈信号，实时调整PWM波形的相位，实现电机的闭环控制。

通过对转速和位置的精确控制，可以提高电机的效率和响应速度。

总结起来，基于DSPIC33FJ32MC204的BLDC电机驱动控制系统的研究可以提供一种高效、低噪音和可靠的电机驱动解决方案。

该系统适用于各种工业和家电应用，并具备很大的应用前景。

基于ＣＰＬＤ的直流无刷电机驱动电路设计作者：谈振藩林荣森王洪波郭立东来源：《现代电子技术》2008年第08期摘要：介绍一种基于CPLD (复杂可编程逻辑器件) 的直流无刷电机驱动电路，给出驱动电路的软硬件设计用软件代替逻辑门实现电机的保护逻辑。

采用EPM7064SLC4410 CPLD为核心控制器，实现电机驱动所需的换相译码、死区发生器和IPM（智能功率模块）接口电路。

系统软件采用VHDL语言编程，代替原来的RC电路实现的死区时间发生器。

该电路具有体积小、调试方便、死区时间设置灵活等优点。

关键词：CPLD；直流无刷电机；死区发生器；IPM；中图分类号：文献标识码：B文章编号：1004-373X(2008)08-004-(ColleAbstract：This paper presents a drive circuit for BLDC motor based on CPLD.Its hardware and software design are described in detail,to realize motor protection by using software instead of logic gate.The phaseswitch coding,dead time generator and IPM interface circuit are implemented by using the EPM7064SLC4410 CPLD as the central controller.The software design is implemented by VHDL,instead of RC to realize clead time generator.The design has advantages of smallKeywords：CPLD；BLDC motor；dead time generator；IPM；VHDL直流无刷电机广泛应用于计算机外围设备、数控机床、机器人、伺服系统、汽车、家电等领域。

《基于dsPIC30F4011的无刷直流电机伺服驱动器设计》篇一一、引言随着工业自动化和智能化水平的不断提高，无刷直流电机因其高效、稳定、长寿命等优点，在众多领域得到了广泛应用。

而伺服驱动器作为无刷直流电机控制的核心部件，其性能的优劣直接影响到电机的运行效果。

本文将详细介绍基于dsPIC30F4011的无刷直流电机伺服驱动器设计，通过合理的设计和优化，实现电机的精确控制和高性能运行。

二、dsPIC30F4011控制器简介dsPIC30F4011是一款高性能、低功耗的微控制器，具有强大的数字信号处理能力和丰富的外设接口。

其内部集成了ADC（模数转换器）、PWM（脉宽调制）发生器、捕获/比较/PWM （CAP/CMP/PWM）模块等，非常适合用于无刷直流电机的伺服驱动器设计。

三、伺服驱动器整体设计1. 硬件设计伺服驱动器的硬件设计主要包括电源电路、电机驱动电路、控制器电路等。

其中，dsPIC30F4011作为核心控制器，通过接收上位机的指令，对电机进行精确控制。

电源电路为整个系统提供稳定的电源；电机驱动电路采用先进的PWM技术，实现电机的精确调速；控制器电路负责数据的采集、处理和传输。

2. 软件设计软件设计是伺服驱动器的另一重要组成部分。

在dsPIC30F4011控制器的支持下，采用C语言编写控制程序，实现电机的启动、停止、调速、刹车等功能。

同时，通过优化算法，实现电机的精确控制和高效运行。

四、无刷直流电机控制策略无刷直流电机的控制策略是伺服驱动器的关键技术之一。

本文采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术，通过优化PWM波形，减小谐波干扰，提高电机的运行效率。

同时，结合电流闭环控制策略，实现电机的精确控制和高速响应。

五、实验与性能分析通过实际实验，验证了基于dsPIC30F4011的无刷直流电机伺服驱动器的性能。

实验结果表明，该驱动器具有较高的调速精度、稳定的运行性能和良好的抗干扰能力。

同时，通过对比分析，证实了SVPWM技术和电流闭环控制策略在提高电机性能方面的显著作用。